论文部分内容阅读
摘 要 随着胜利油田对低渗油藏的大力开采，对液态二氧化碳的需求将不断增长，寻求二氧化碳气源并加以提纯液化势在必行。本文对二氧化碳气井开采气体的液化方案进行了分析和计算，从能耗最小化角度考虑，提出了二氧化碳气井气宜采用低温液化方案，同时确定了液化装置合理的控制参数。
关键词 二氧化碳；液化；方案；能耗
分类号：TD842
前 言
理论和实践表明，二氧化碳（CO2）驱油是提高低渗透油藏采收率的有效方法。该技术在美国已有30余年的工程实践历史，在其它国家油田开采中也有大规模的现场应用，在国内的大庆油田、江苏油田、胜利油田等许多油田也开展过先导试验及应用，并取得了很好的效果。工程实践表明，注二氧化碳驱油可提高采收率幅度达10%～15%。二氧化碳驱油不仅可以提高原油采出率，还可以降低二氧化碳排放，在取得经济效益的同时还得到了良好的社会效益。胜利油区低渗透油藏资源丰富，其储量在新增探明储量中所占的比例逐渐增大，开展二氧化碳驱油前景广阔。同时，油区二氧化碳储量非常丰富。为了满足油田二氧化碳驱油需求，必须将可利用二氧化碳气体开采出来并提纯液化。为了最大限度降低能耗，为油田生产节能减排。二氧化碳气井气应采取合理的液化方案。
1 二氧化碳液化原理
在常温常压下，二氧化碳为无色无味的气体。在不同的温度和压力条件下，二氧化碳可以以气、液、固三种状态存在。根据二氧化碳相态图将二氧化碳相态可分为5个区域：（1）超临界气体区域：压力高于7.38MPa，温度高于31.4℃区域，超临界状态气体在高压下的分子形态变得和液体一样紧密，具有很高的密度，但是却像气体一样易于流动，非常适合用于管道输送。（2）密相液态区域：压力高于7.38MPa，温度介于31.4℃和-56.6℃之间。（3）一般液态区域：压力低于7.38MPa，温度低于31.4℃和-56.6℃之间。（4）固态区域：温度低于-56℃。（5）一般气态区域：温度高于-56℃。二氧化碳在不同温度下具有不同的饱和蒸汽压。根据这一性质，可使温度和压力这两个状态函数之一处于一般状态，通过强化另一个状态函数，使得二氧化碳液化过程在工业中容易实现，这就是低温低压液化和常温高压液化两种工艺过程[1]。二氧化碳的液化应根据气源类型及利用途径选择合理的液化方案，使得液化系统能耗最低。
2 气井气液化方案分析
来自二氧化碳气井的气体为高压气源，具有压力高，含有水分、烃类组分及其它杂质等特点。因此，为了满足驱油要求，必须对气井气进行净化提纯液化，通常情况，用于驱油的二氧化碳液体要求纯度不低于99%。二氧化碳气井气净化提纯液化工艺流程：来自气井的二氧化碳原料气首先经过原料气分离器将游离水等杂质分离，然后进入脱水装置进行脱水，以免在后续流程中发生冻堵和严重腐蚀。经过脱水后的粗二氧化碳气体与精馏提纯塔顶不凝气预换热，然后利用氨制冷系统液氨蒸发吸热将粗二氧化碳气体冷凝成液态并进入精馏提纯塔进行提纯。甲烷等不凝气体由塔顶排出，塔底利用氨压缩机出口的高温氨气加热。经过精馏提纯后的高纯度二氧化碳液体由提纯塔塔底流出，再经过液氨蒸发过冷后进入二氧化碳储罐。由于气井气需要经过脱水净化、精馏提纯等工艺，因此，气井气的液化压力受到预处理流程的限制。例如，经过脱水处理后的粗二氧化碳气体压力通常为4～5MPa，由于含有杂质，对应的饱和温度在-11～1℃之间，要将其液化必须采用制冷机组液化。鉴于后续流程的液化压力均不会太高，所以气井气的液化采用低温液化方案，液态二氧化碳也相应采用低压低温储罐储存。对于二氧化碳低温液化方案，制冷系统常选用技术成熟的氨制冷。制冷系统的制冷负荷受提纯液化装置工艺参数影响，主要包括进装置的粗二氧化碳压力、温度，以及提纯塔压力等。研究这些工艺参数对制冷负荷的影响规律，有利于工艺参数的优化并有效降低装置能耗。
2.1 进装置压力及温度影响
以某二氧化碳精馏提纯装置为例，经井口脱水后的粗二氧化碳气体通过管道输送至液化站精馏提纯装置，进入装置的粗二氧化碳压力分别取3.5MPa、4.0MPa、4.7MPa、5.0MPa，进装置温度夏季为20℃，冬季为5℃。粗二氧化碳节流至提纯塔压力后进行液化，液化温度为-25℃，提纯塔压力为3.1MPa，塔顶冷凝温度为-25℃，纯二氧化碳过冷温度为-20℃，进储罐压力为2.0MPa。液态二氧化碳产量为5100kg/h，纯度≥99%。夏季时系统中各液化设备冷负荷随二氧化碳进装置压力变化情况。随着进装置压力的增加，粗二氧化碳液化需要的冷负荷降低，而塔顶冷凝及二氧化碳过冷所需的冷负荷基本不变化。原因是进装置压力越高，经过节流后的粗二氧化碳气体温度越低，液化需要的冷负荷自然就减少，而进入提纯塔液态二氧化碳的温度是不变的，在塔压一定的情况下，塔顶气体温度及气量也就不会变化，塔顶冷凝负荷所以不变，对于二氧化碳过冷冷负荷受塔底纯二氧化碳产量和温度影响，当提纯塔压力不变且液态二氧化碳产量一定时，其冷负荷也不变。
系统总制冷负荷受进装置压力和温度的影响规律。进装置温度越低，系统冷负荷越小，随着进装置压力的升高，系统冷负荷是降低的。尤其是在冬季时，当压力4.0MPa时变化最为明显，原因是冬季温度较低，当压力高于4.0MPa以后，粗二氧化碳气体中已经有部分开始液化了，而冷凝二氧化碳液体所需的冷负荷远小于吸收二氧化碳气体液化潜热所需冷负荷。气井气在保证脱水等预处理流程所需压力条件下，应尽可能降低压力损耗和降低温度，保证高压低温状态进提纯液化装置。
2.2 提纯塔压力影响
仍以上述二氧化碳精馏提纯装置为例，经脱水后的气体进液化站压力为4.7MPa，温度为20℃，粗二氧化碳进提纯塔温度为-25℃，纯二氧化碳过冷温度为-20℃，在不同提纯塔压力下通过改变塔顶冷凝器的冷凝温度控制塔底产品纯度及产量不变。经模拟计算，系统制冷负荷随塔压的变化情况如图2.4所示。
图1 提纯塔压力对制冷负荷的影响规律
由图看出，随着提纯塔压力的降低，系统总冷负荷是减小的，提纯塔压力的变化主要影响二氧化碳过冷冷负荷，而粗二氧化碳液化和塔顶冷凝所需冷负荷之和变化较小。原因是随着塔压减小，塔底二氧化碳的温度降低，将二氧化碳冷凝至储存温度需要的冷量大大减小。对于粗二氧化碳液化所需冷负荷随着塔压降低而减小，塔顶冷凝所需冷负荷随塔压降低而增加，但二者之和随塔压降低只略微减小。因此，降低提纯塔压力有利于降低系统能耗。但是根据计算得出，当提纯塔压力降低至2.9MPa时，塔顶冷凝器的冷凝温度为-27℃，采用氨制冷已经难以实现。所以，提纯塔应控制在较低压力下运行，最低压力值由制冷工质的制冷温度决定。
3 结论
综上所述，CO2气井气宜采用低温液化方案，在保证脱水等预处理流程所需压力条件下，尽可能的降低压力损耗和降低气体温度，保证高压力低温状态进提纯液化装置，另外，提纯塔宜低压力运行，最低压力值由制冷工质的制冷温度决定。
参考文献
[1] 陆国维. 低温液化二氧化碳生产技术和设备[J].酿酒，2002，3（29）：101-103
关键词 二氧化碳；液化；方案；能耗
分类号：TD842
前 言
理论和实践表明，二氧化碳（CO2）驱油是提高低渗透油藏采收率的有效方法。该技术在美国已有30余年的工程实践历史，在其它国家油田开采中也有大规模的现场应用，在国内的大庆油田、江苏油田、胜利油田等许多油田也开展过先导试验及应用，并取得了很好的效果。工程实践表明，注二氧化碳驱油可提高采收率幅度达10%～15%。二氧化碳驱油不仅可以提高原油采出率，还可以降低二氧化碳排放，在取得经济效益的同时还得到了良好的社会效益。胜利油区低渗透油藏资源丰富，其储量在新增探明储量中所占的比例逐渐增大，开展二氧化碳驱油前景广阔。同时，油区二氧化碳储量非常丰富。为了满足油田二氧化碳驱油需求，必须将可利用二氧化碳气体开采出来并提纯液化。为了最大限度降低能耗，为油田生产节能减排。二氧化碳气井气应采取合理的液化方案。
1 二氧化碳液化原理
在常温常压下，二氧化碳为无色无味的气体。在不同的温度和压力条件下，二氧化碳可以以气、液、固三种状态存在。根据二氧化碳相态图将二氧化碳相态可分为5个区域：（1）超临界气体区域：压力高于7.38MPa，温度高于31.4℃区域，超临界状态气体在高压下的分子形态变得和液体一样紧密，具有很高的密度，但是却像气体一样易于流动，非常适合用于管道输送。（2）密相液态区域：压力高于7.38MPa，温度介于31.4℃和-56.6℃之间。（3）一般液态区域：压力低于7.38MPa，温度低于31.4℃和-56.6℃之间。（4）固态区域：温度低于-56℃。（5）一般气态区域：温度高于-56℃。二氧化碳在不同温度下具有不同的饱和蒸汽压。根据这一性质，可使温度和压力这两个状态函数之一处于一般状态，通过强化另一个状态函数，使得二氧化碳液化过程在工业中容易实现，这就是低温低压液化和常温高压液化两种工艺过程[1]。二氧化碳的液化应根据气源类型及利用途径选择合理的液化方案，使得液化系统能耗最低。
2 气井气液化方案分析
来自二氧化碳气井的气体为高压气源，具有压力高，含有水分、烃类组分及其它杂质等特点。因此，为了满足驱油要求，必须对气井气进行净化提纯液化，通常情况，用于驱油的二氧化碳液体要求纯度不低于99%。二氧化碳气井气净化提纯液化工艺流程：来自气井的二氧化碳原料气首先经过原料气分离器将游离水等杂质分离，然后进入脱水装置进行脱水，以免在后续流程中发生冻堵和严重腐蚀。经过脱水后的粗二氧化碳气体与精馏提纯塔顶不凝气预换热，然后利用氨制冷系统液氨蒸发吸热将粗二氧化碳气体冷凝成液态并进入精馏提纯塔进行提纯。甲烷等不凝气体由塔顶排出，塔底利用氨压缩机出口的高温氨气加热。经过精馏提纯后的高纯度二氧化碳液体由提纯塔塔底流出，再经过液氨蒸发过冷后进入二氧化碳储罐。由于气井气需要经过脱水净化、精馏提纯等工艺，因此，气井气的液化压力受到预处理流程的限制。例如，经过脱水处理后的粗二氧化碳气体压力通常为4～5MPa，由于含有杂质，对应的饱和温度在-11～1℃之间，要将其液化必须采用制冷机组液化。鉴于后续流程的液化压力均不会太高，所以气井气的液化采用低温液化方案，液态二氧化碳也相应采用低压低温储罐储存。对于二氧化碳低温液化方案，制冷系统常选用技术成熟的氨制冷。制冷系统的制冷负荷受提纯液化装置工艺参数影响，主要包括进装置的粗二氧化碳压力、温度，以及提纯塔压力等。研究这些工艺参数对制冷负荷的影响规律，有利于工艺参数的优化并有效降低装置能耗。
2.1 进装置压力及温度影响
以某二氧化碳精馏提纯装置为例，经井口脱水后的粗二氧化碳气体通过管道输送至液化站精馏提纯装置，进入装置的粗二氧化碳压力分别取3.5MPa、4.0MPa、4.7MPa、5.0MPa，进装置温度夏季为20℃，冬季为5℃。粗二氧化碳节流至提纯塔压力后进行液化，液化温度为-25℃，提纯塔压力为3.1MPa，塔顶冷凝温度为-25℃，纯二氧化碳过冷温度为-20℃，进储罐压力为2.0MPa。液态二氧化碳产量为5100kg/h，纯度≥99%。夏季时系统中各液化设备冷负荷随二氧化碳进装置压力变化情况。随着进装置压力的增加，粗二氧化碳液化需要的冷负荷降低，而塔顶冷凝及二氧化碳过冷所需的冷负荷基本不变化。原因是进装置压力越高，经过节流后的粗二氧化碳气体温度越低，液化需要的冷负荷自然就减少，而进入提纯塔液态二氧化碳的温度是不变的，在塔压一定的情况下，塔顶气体温度及气量也就不会变化，塔顶冷凝负荷所以不变，对于二氧化碳过冷冷负荷受塔底纯二氧化碳产量和温度影响，当提纯塔压力不变且液态二氧化碳产量一定时，其冷负荷也不变。
系统总制冷负荷受进装置压力和温度的影响规律。进装置温度越低，系统冷负荷越小，随着进装置压力的升高，系统冷负荷是降低的。尤其是在冬季时，当压力4.0MPa时变化最为明显，原因是冬季温度较低，当压力高于4.0MPa以后，粗二氧化碳气体中已经有部分开始液化了，而冷凝二氧化碳液体所需的冷负荷远小于吸收二氧化碳气体液化潜热所需冷负荷。气井气在保证脱水等预处理流程所需压力条件下，应尽可能降低压力损耗和降低温度，保证高压低温状态进提纯液化装置。
2.2 提纯塔压力影响
仍以上述二氧化碳精馏提纯装置为例，经脱水后的气体进液化站压力为4.7MPa，温度为20℃，粗二氧化碳进提纯塔温度为-25℃，纯二氧化碳过冷温度为-20℃，在不同提纯塔压力下通过改变塔顶冷凝器的冷凝温度控制塔底产品纯度及产量不变。经模拟计算，系统制冷负荷随塔压的变化情况如图2.4所示。
图1 提纯塔压力对制冷负荷的影响规律
由图看出，随着提纯塔压力的降低，系统总冷负荷是减小的，提纯塔压力的变化主要影响二氧化碳过冷冷负荷，而粗二氧化碳液化和塔顶冷凝所需冷负荷之和变化较小。原因是随着塔压减小，塔底二氧化碳的温度降低，将二氧化碳冷凝至储存温度需要的冷量大大减小。对于粗二氧化碳液化所需冷负荷随着塔压降低而减小，塔顶冷凝所需冷负荷随塔压降低而增加，但二者之和随塔压降低只略微减小。因此，降低提纯塔压力有利于降低系统能耗。但是根据计算得出，当提纯塔压力降低至2.9MPa时，塔顶冷凝器的冷凝温度为-27℃，采用氨制冷已经难以实现。所以，提纯塔应控制在较低压力下运行，最低压力值由制冷工质的制冷温度决定。
3 结论
综上所述，CO2气井气宜采用低温液化方案，在保证脱水等预处理流程所需压力条件下，尽可能的降低压力损耗和降低气体温度，保证高压力低温状态进提纯液化装置，另外，提纯塔宜低压力运行，最低压力值由制冷工质的制冷温度决定。
参考文献
[1] 陆国维. 低温液化二氧化碳生产技术和设备[J].酿酒，2002，3（29）：101-103